水冷型质子交换膜燃料电池温度控制策略

陈维荣， 李艳昆， 李 岩， 赵兴强

(西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031)

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)作为一种新型低温燃料电池，具有功率密度高、工作温度低、噪声小、易于携带等特点.工作温度作为PEMFC重要参数之一，对PEMFC系统的气体传输特性、膜的含水量、催化层的催化活性、输出特性甚至工作寿命等都会产生不同程度的影响[1]，因此，有必要对温度控制进行研究.PEMFC工作时，产生约40% ～60%的热量，为维持电池组工作温度的恒定，多余的热量必须及时排出[2-3].已有文献对燃料电池温度控制建模及实验测试进行了大量研究工作.文献[4]建立了循环水管理物理模型，在优化循环水系统配置、简化控制系统参数等方面做了一定研究工作;文献[5]针对Ballard PEMFC电堆提出了一种水热管理模型，能预测电堆动态运行过程中的电堆温度、电压、功率等信息;文献[6]分析了空气流量、冷却液流量、空气温度、冷却液温度对中冷器冷却效果的影响;文献[7]分析了燃料电池温度与热量的关系，建立了燃料电池的简化热理模型，设计了基于模糊PID算法的控制策略;文献[8]通过热成像方法，测试了燃料电池温度分布情况;文献[9-11]分别采用模糊PID融合控制、模糊增量PID控制、增量PID控制，实现了PEMFC最优温度控制，并通过实验揭示了电堆存在最优工作温度的特性.

上述文献及实际测试中，对燃料电池的温度控制基本通过调节散热器风扇转速控制电堆冷却水入口温度，调节循环水泵转速控制电堆冷却水出入口的温差，所以需要同时设定电堆冷却水入口温度和出口温度(或者出入口温差).这种传统温度控制方式(如图1(a))仅跟踪温度的变化，而温度本身的变化存在很大的延迟，引起控制上的滞后，从而导致调节时间较长.

仅仅根据温度变化进行控制一般不可能较好地消除电流波动对电堆温度的影响.针对以上传统温度控制策略的不足，同时考虑温度对燃料电池的影响以及燃料电池极板的耐压能力，提出一种通过调节冷却水入口压力从而控制冷却水流速的改进温度控制策略，进而提高温度控制系统的响应速度，减小超调，原理如图1(b)所示.改进温度控制策略以冷却水入口压力和空气入口压力差值为目标，应满足

式中:Pcoolant，in为电堆冷却水入口压力;

Pair，in为电堆空气入口压力;

Pws为极板所能耐受的单方向最大压力.

在电堆正常运行时，冷却水入口压力随电堆空气入口压力的变化而变化.通过控制散热器风扇转速调节冷却水入口温度，使其满足设定值.

图1 温度控制原理Fig.1 Temperature control principle

1 PEMFC温度控制系统

PEMFC温度控制系统工作原理如图2所示.

图2 PEMFC温度控制系统工作原理Fig.2 Principle of the PEMFC temperature control system

控制对象为燃料电池的工作温度，执行机构为循环水泵和散热器风扇.冷却水泵和散热器风扇均采用直流电机驱动.循环水泵驱动冷却水循环，将PEMFC发电过程中产生的热量带出，流出电堆的高温冷却水再经过散热器，散热器风扇转动使空气对流，从而降低冷却水的温度.

2 温度动态模型

式中:Qgen为电堆产热功率;

Qdis为散热功率;

Qtot为电化学反应产生的总功率;

Pst为燃料电池发电功率;

Qgas为气体热交换功率;

Qcl为冷却水散热功率;

Qatm为电池表面环境热损失功率.

2.1 化学反应产生的总功率

化学反应产生的总功率Qtot可由反应氢气流量 Nrec，an，H2与热值 ΔH 确定，即

2.2 燃料电池发电功率

燃料电池发电功率Pst可由燃料电池单电池模型确定，即

式中:Vcell为燃料电池输出电压;Ist为燃料电池输出电流;N为燃料电池电堆单体电池数量.

2.3 气体热传递

因气体在电堆内部有消耗，故将气体进入与排出电堆时的热量差值作为气体总的散热量，即

根据热平衡方程[4]可得

根据热平衡方程，单位时间内电堆的产热和散热与电池温度的关系为[4]

式中:Nin，an，H2、Nin，an，H2O分别为阳极入口氢气流量与水蒸气流量;

Nin，Ca，air、Nin，Ca，H2O分别为阴极入口空气流量与水蒸气流量;

Nout，an，H2、Nout，an，H2O分别为阳极出口氢气流量与水蒸气流量;

2.4 冷却水散热

根据热平衡方程，冷却水经电堆带出的热量为

由式(8)可知，影响冷却水散热的两个因素分别为冷却水流速Wcl及冷却水入堆温度Tin，st.就控制对象而言，分别是循环水泵及散热风扇.由于系统中循环水泵与散热风扇均采用直流电机，建模方式类似，以直流水泵为例，直流电机转数n与电机电压V之间的关系为[12]

式中:Ce、Cφ、CT为电机常数;

Ra为电枢电阻;

T为负载力矩.

负载力矩T与转数n的平方成正比，设比例系数为K1，电机控制器输出电压Vc与电机电压V正比值设为K2，则电机转速可描述为假设电机转速与水泵流速成正比，系数为K3，则水泵流速为

式(11)可简要表示为

式中:a、b根据实际测试数据进行参数拟合得到.

散热器风机模型与冷却水泵模型类似.在散热器散热时，假设将进入散热器冷却水温度 Tin，rad，cl与出散热器冷却水温度Tout，rad，cl的算术平均值作为散热器空气出口温度 Tout，rad，air，经过散热器后，冷却水温度为[4]

2.5 热辐射

电堆向环境产生的热辐射为电堆高出环境的温度与热阻的比值[13]，即

3 仿真分析与实验测试

3.1 仿真分析

结合上述温度动态模型，利用MATLAB仿真软件对提出的改进温度控制策略进行仿真测试.设定冷却水入口温度为55℃，电堆冷却水入口压力比空气入口压力低2 kPa，电堆输出电流在50、90和120 A之间阶跃变换，其他仿真参数如表1所示，仿真结果如图3所示.

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图3 改进温度控制策略仿真曲线Fig.3 Simulation curves of the improved temperature control strategy

由图3可以看出，在负载波动情况下，电堆冷却水入口温度基本维持在目标量的±0.5℃范围内;对于大的负载波动，电堆冷却水入口温度基本维持在目标量的±1℃范围内;系统达到稳态时间约100 s.

3.2 实验测试

本文对传统温度控制策略及改进温度控制策略均进行了相关测试，实验参数如表2所示.结合实验结果分析了在电堆正常运行阶段两种控制策略的控制精度和响应速度等相关问题.实验在自主搭建的多功能PEMFC平台上测试完成.实验平台选用Ballard公司组装的9ssl型水冷质子交换膜燃料电池作为测试电堆，其最大额定功率为14.4 kW，具有75个单体电池，实验平台如图4所示.

表2 温度控制测试相关参数Tab.2 Related parameters of the temperature control test

图4 多功能PEMFC测试平台Fig.4 Multifunctional PEMFC test platform

3.2.1 传统温度控制策略

PEMFC发电系统温度控制策略主要通过调节系统的散热器风扇转速和流经冷却水泵的冷却水流速，从而控制电堆的温度(冷却水入口温度以及进、出口温差).在调节过程中，由电堆输出电流变化引起的热量变化会对系统产生扰动.因此，控制策略要求能快速准确的消除电堆输出电流变化对电堆温度的影响.

实验首先对传统温度控制策略进行了实验测试.由于水冷型燃料电池的温度控制受外界环境干扰相对较小，所以测试结果具有较好的可重复性.测试过程中电堆电流、冷却水流量、压力，散热器风扇控制电压的变化趋势如图5所示.由于传统的控制方法对散热器风扇与冷却水流速的控制存在强耦合特性，从图5可以看出，冷却水流速与风扇控制电压在整个实验过程中均出现振荡现象.

图5 传统控制方法冷却水流速与风扇控制电压曲线Fig.5 Curves of cooling water velocity and control voltage in the traditional control method

由于传统控制方法冷却水流速出现振荡，且系统的响应速度较慢，因此，会出现冷却水进堆的压力高于空气进堆压力的现象，如图6所示.

图6 传统控制方法电堆空气入口与冷却水入口压力曲线Fig.6 Pressure curves of air inlet and cooling water inlet in the traditional control method

传统控制方法冷却水出入口温度及温差曲线如图7所示.

从图7可以看出，在整个实验过程中使用传统控制方法，燃料电池冷却水入口温度波动较大，出口温度波动更为明显，出入口温差最大时已超过7℃，当电流大幅改变时，温度控制效果并不理想.并且在电堆电流大幅加载时入口温度波动较大，电堆出口温度还会伴随出现大幅尖峰，这样势必会出现电堆内部的短时高温，对膜的含水量影响较大，进而影响电堆的性能和寿命.

3.2.2 改进温度控制策略

基于上述实验平台对提出的改进温度控制策略进行了相关测试，并与传统控制策略进行对比，观察电堆电流，冷却水流量，散热器风扇控制电压的变化趋势，结果如图8所示.

图7 传统控制方法冷却水出入口温度及温差曲线Fig.7 Curves of cooling water inlet and outlet temperatures and their difference in the traditional control method

图8 改进控制方法冷却水流速与风扇控制电压曲线Fig.8 Curves of cooling water velocity and fan control voltage in the improved control method

由图8、图9可以看出，在冷却水入口压力和空气入口压力差值固定的情况下，不再考虑电堆的温度.由于此种方法对冷却水泵的控制是根据空气入口压力来确定，所以能够快速地控制冷却水流速并保持稳定，消除了通过设定冷却水出入口温差调节冷却水流速方法中的流速震荡现象.从图9还可看出，改进温度控制策略中冷却水入口压力可以较好地随电堆空气入口的压力变化而快速变化，控制效果较好，确保了电堆极板工作在合理的压力范围内.

由于冷却水流速能够快速达到稳定值，所以在控制散热器风扇转速以此调节冷却水入口温度的过程中，冷却水流速的变化对风扇的干扰时间短，风扇控制点变化相对平缓，从而保证了冷却水入口温度能够快速达到设定值并保持稳定，如图10所示.入口温度实测值与设定值差值保持在±1℃之内，并且在冷却水入口温度能够快速稳定的前提下，保证了电堆冷却水出口温度的稳定，出入口温差保持在6℃范围之内，如表3所示.

图9 改进控制方法电堆空气入口与冷却水入口压力曲线Fig.9 Pressure curves of air inlet and cooling water inlet in the improved control method

采用跟踪不同的变化量分别独立调节控制冷却水泵转速与散热器风扇转速，较好地解决了传统温度控制策略中的耦合现象.改进温度控制策略与传统温度控制策略的性能对比如表3所示.根据压力控制冷却水流速，可以在电堆电流大幅加载时使电堆温度控制快速响应，维持电堆内部的温度状态，避免出现电堆内部的短时高温，从而保证电堆的性能和寿命.因此，无论是从温度波动情况、系统耦合强度、燃料电池性能和寿命等方面考虑，改进控制策略都优于传统控制策略.

图10 改进控制方法冷却水出入口温度及温差曲线Fig.10 Curves of cooling water inlet and outlet temperatures and their temperature difference in the improved control method

表3 温度控制策略测试数据Tab.3 Test data of the temperature control strategies

4 结论

本文针对水冷型质子交换膜燃料电池传统温度控制策略存在大惯性、大延迟、强耦合的特点，提出了一种调节冷却水入口压力控制冷却水流速的燃料电池改进温度控制策略.该控制策略不再以调节电堆冷却水出入口温差来调节循环水泵转速，而是以冷却水入口的压力作为调节目标，保持冷却水入口的压力始终随空气入口压力的变化而变化，并可以通过改变两者之间的压力差，在电堆受力允许的情况下保证燃料电池电堆温度均衡性最优.

文中基于实验测试平台，对传统控制策略与改进控制策略做了实验对比.结合实验数据分析得到改进温度控制策略，该策略能有效地对控制散热器

风扇转速和循环水泵转速解耦，进而减小系统的温度超调和稳态误差，加快系统的响应速度.并且以冷却水入口压力为控制目标控制冷却水流速，可以在电堆电流大幅加载时快速、高效地维持电堆内部的温度状态，避免电堆内部出现短时高温现象，对电堆的性能和寿命提供良好的保证.文中提出的改进温度控制策略具有较高的普适性，可以为水冷型燃料电池实际温度控制提供参考.

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